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城市超长隧道合流区联合控制优化方法

吕能超 郝怡琳 杨格 谢天

吕能超, 郝怡琳, 杨格, 谢天. 城市超长隧道合流区联合控制优化方法[J]. 交通信息与安全, 2025, 43(3): 55-65. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2025.03.006
引用本文: 吕能超, 郝怡琳, 杨格, 谢天. 城市超长隧道合流区联合控制优化方法[J]. 交通信息与安全, 2025, 43(3): 55-65. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2025.03.006
LYU Nengchao, HAO Yilin, YANG Ge, XIE Tian. An Optimization Method for Joint Control of Merging Zones in Urban Tunnels of Considerable Length[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2025, 43(3): 55-65. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2025.03.006
Citation: LYU Nengchao, HAO Yilin, YANG Ge, XIE Tian. An Optimization Method for Joint Control of Merging Zones in Urban Tunnels of Considerable Length[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2025, 43(3): 55-65. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2025.03.006

城市超长隧道合流区联合控制优化方法

doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2025.03.006
基金项目: 

国家自然科学基金项目 52472366

国家重点研发计划项目 2023YFB4302600

湖北省重点研发计划项目 2024BAB051

详细信息
    作者简介:

    吕能超(1982—),博士,教授. 研究方向:智能网联交通、智慧公路、辅助驾驶与自动驾驶、道路交通安全等. E-mail:lnc@whut.edu.cn

  • 中图分类号: U491

An Optimization Method for Joint Control of Merging Zones in Urban Tunnels of Considerable Length

  • 摘要: 针对城市超长隧道合流区的交通拥堵问题,研究了融合主线可变限速与匝道信号控制的联合优化控制方法。根据合流瓶颈区及其下游的不同交通状态组合,生成了四级控制策略。通过综合考虑匝道汇入、路段间速度差异和驾驶人服从度,对传统元网络(meta network,METANET)模型进行了改进;同时,通过新增匝道排队容量控制机制,对经典ALINEA算法进行了扩展,实现了可变限速与匝道信号的联合控制。在此基础上,结合模型预测控制方法,对不同交通状态下的限速值和匝道信号配时进行了优化。依托VISSIM仿真平台,构建武汉两湖隧道场景,并利用COM接口与Python二次开发,实现仿真路段交通参数的实时获取与控制。实验对比多种管控策略,包括动态可变限速、匝道信号控制与联合控制。仿真结果表明,①提出的联合管控策略相比无管控策略,减少瓶颈区车辆行程时间17.7%,降低车均延误时间62.96%;②与单一控制策略相比,联合管控可显著提高平均车速和交通流稳定性,特别是在高流量拥堵情况下效果更为显著;③在联合控制策略下,路段最低平均车速提升20.38%,瓶颈区及下游缓行时间减少22.2%,低速区域的空间范围和持续时间均明显缩短,且车速波动幅度大幅减小。面对多种复杂交通流,联合控制策略展现出良好的动态自适应能力,能够根据流量结构自动调整主线与匝道的控制强度,实现对瓶颈区交通负荷的合理分配。

     

  • 图  1  城市隧道合流区联合控制系统场景

    Figure  1.  Joint control system scenario for urban tunnel merging area

    图  2  城市隧道合流区联合控制系统框架

    Figure  2.  Joint control system framework

    图  3  联合控制策略及流程

    Figure  3.  Joint control strategy and process

    图  4  传统METANET模型示意图

    Figure  4.  Traditional METANET model diagram

    图  5  隧道路段仿真建模示意图

    Figure  5.  Tunnel section division diagram

    图  6  不同控制策略评价指标对比图

    Figure  6.  Comparison chart of evaluation metrics for different control strategies

    图  7  不同信号周期下瓶颈区行程时间均值和标准差

    Figure  7.  Mean and standard deviation of average travel time in the bottleneck area under different signal cycles

    图  8  不同信号周期下瓶颈区延误均值和标准差

    Figure  8.  Mean and standard deviation of delay in the bottleneck area under different signal cycles

    图  9  主线高流量、匝道低流量限速值及绿信比

    Figure  9.  Speed limit values and green signal ratios for high mainline flow and low ramp flow

    图  10  主线低流量、匝道高流量限速值及绿信比

    Figure  10.  Speed limit values and green signal ratios for low mainline flow and high ramp flow

    图  11  主线和匝道高流量限速值及绿信比

    Figure  11.  Speed limit values and green signal ratios for high mainline and ramp flow

    图  12  速度时空传播热力图(需彩印)

    Figure  12.  Spatiotemporal speed heatmap

    表  1  METANET模型符号及含义

    Table  1.   METANET model symbols and meanings

    符号 含义 单位
    Li 路段i的长度 km
    vi(k) k时刻路段i的平均速度 km/h
    ρi(k) k时刻路段i的平均密度 veh/km
    T 周期 s
    τ 时间滞后系数
    f 期望系数
    m 模型参数,防止ρi(k) 过小
    vf, i 路段i的自由流速度 km/h
    αi 模型系数
    ρcr(k) 路段临界密度 veh/km
    V[ρi(k)] 期望速度 km/h
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    表  2  不同控制策略评价指标均值和标准差

    Table  2.   Mean and standard deviation of evaluation metrics for different control strategies

    评价指标 管控策略
    无管控 VSL 匝道信号控制 联合管控
    均值 标准差 均值 标准差 均值 标准差 均值 标准差
    瓶颈区车均行程时间 18.81 1.75 15.89 1.59 18.32 2.15 15.48 1.38
    瓶颈下游车均行程时间 39.08 0.22 38.42 0.16 39.10 0.21 38.43 0.15
    瓶颈区平均车速 22.83 3.90 25.06 3.52 22.85 4.52 25.95 3.22
    瓶颈区车均延误 27.67 18.03 11.42 5.22 23.67 17.71 10.25 4.20
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    表  3  3种流量输入组合值

    Table  3.   Three traffic input combinations

    仿真时间/s 流量输入组合
    主线高、匝道低 主线低、匝道高 主线高、匝道高
    主线 匝道 主线 匝道 主线 匝道
        > 0~1 800 4 000 600 3 000 800 3 500 750
    > 1 800~3 600 4 200 620 3 200 850 3 800 800
    > 3 600~5 400 4 500 620 3 200 900 4 200 800
    > 5 400~7 200 4 000 600 3 000 800 4 000 750
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  • 收稿日期:  2024-11-18
  • 网络出版日期:  2025-10-11

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